專利名稱：一種復(fù)合式mems密度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS密度傳感器領(lǐng)域，特別是一種復(fù)合式MEMS密度傳感器。
背景技術(shù)：
密度作為物質(zhì)的重要物性參數(shù)之一，世界上許多國家，如英國、美國、德國、日本等，對(duì)于密度測(cè)量和應(yīng)用都進(jìn)行了深入的研究，并開發(fā)出一系列密度測(cè)量產(chǎn)品，主要的測(cè)量產(chǎn)品有射線式密度計(jì)、浮子式密度計(jì)、聲學(xué)式密度計(jì)、振動(dòng)管式密度計(jì)。其中，射線式密度計(jì)根據(jù)Y射線穿過物質(zhì)時(shí)Y射線的強(qiáng)度與被測(cè)物質(zhì)的密度之間滿足的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，通過測(cè)量Y射線的強(qiáng)度變化，計(jì)算得到被測(cè)物質(zhì)的密度，適用于各種惡劣工況條件的測(cè)量，但是測(cè)量范圍窄，精度較差。浮子式密度計(jì)基于阿基米德定律，通過直接或間接測(cè)得液體中浮子所受的浮力，計(jì)算得到液體的密度，其組成相對(duì)復(fù)雜，浮子存在熱脹冷縮現(xiàn)象，測(cè)量精度較低。振動(dòng)管式密度計(jì)的基本原理是基于系統(tǒng)的固有頻率與其質(zhì)量的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測(cè)量，具有穩(wěn)定性好、分辨率高、測(cè)量精度高，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,生產(chǎn)成本昂貴。隨著傳感器技術(shù)和MEMS技術(shù)等學(xué)科的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了一些基于MEMS技術(shù)的振動(dòng)懸臂梁芯片流體密度傳感器，其原理為當(dāng)振動(dòng)懸臂梁芯片浸入不同類別的流體時(shí)諧振頻率發(fā)生變化，即懸臂梁芯片的諧振頻率由流體的密度所決定，不同的流體密度所對(duì)應(yīng)的懸臂梁芯片的諧振頻率也不同。因此，通過測(cè)定懸臂梁芯片的諧振頻率即可求出待測(cè)流體的密度，可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測(cè)量，具有穩(wěn)定性好、測(cè)量精度較高。一般，基于MEMS技術(shù)的振動(dòng)懸臂梁芯片密度傳感器若采用磁場(chǎng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)大部分是由永磁鐵或螺線管來提供，這樣會(huì)使傳感器的封裝尺寸變大，不利于傳感器結(jié)構(gòu)的微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，以解決傳感器封裝尺寸較大的問題，擴(kuò)展MEMS密度傳感器的應(yīng)用范圍。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，包括驅(qū)動(dòng)芯片和設(shè)置于驅(qū)動(dòng)芯片上的懸臂梁芯片；所述懸臂梁芯片上布置有方形螺旋線圈和惠斯通全橋；所述驅(qū)動(dòng)芯片上布置有圓形螺旋線圈；圓形螺旋線圈的中心與方形螺旋線圈的中心相對(duì)。優(yōu)選的，驅(qū)動(dòng)芯片上布置有第一焊盤和第二焊盤；第一焊盤連接圓形螺旋線圈的外周一端，第二焊盤連接圓形螺旋線圈的中心一端。優(yōu)選的，第一焊盤和第二焊盤通入恒定電流。優(yōu)選的，懸臂梁芯片上設(shè)有連接方形螺旋線圈外周一端的第三焊盤和連接方形螺旋線圈中心一端的第四焊盤。 優(yōu)選的，第三焊盤和第四焊盤通入交變電流。優(yōu)選的，所述惠斯通全橋由4個(gè)電阻值相同的電阻條組成，該惠斯通全橋布置在懸臂梁芯片一階諧響應(yīng)發(fā)生最大應(yīng)變位置處。
優(yōu)選的，所述4個(gè)電阻值相同的電阻條包括第一電阻條、第二電阻條、第三電阻條和第四電阻條；第一電阻條和第四電阻條垂直于懸臂梁芯片的長(zhǎng)度方向布置，第二電阻條和第三電阻條平行于懸臂梁芯片的長(zhǎng)度方向布置；所述懸臂梁芯片上設(shè)有四個(gè)連接所述惠斯通全橋的焊盤，包括第五焊盤、第六焊盤、第七焊盤和第八焊盤；第五焊盤連接第三電阻條和第四電阻條，第六焊盤連接第三電阻條和第一電阻條，第七焊盤連接第一電阻條和第二電阻條，第八焊盤連接第二電阻條和第四電阻條；第五焊盤和第七焊盤通入恒定電流。優(yōu)選的，懸臂梁芯片包括布置方形螺旋線圈和惠斯通全橋的第一硅基底；驅(qū)動(dòng)芯片包括布置圓形螺旋線圈的第二硅基底；第一硅基底和第二硅基底封裝時(shí)采用硅硅鍵合技術(shù)封裝。優(yōu)選的，懸臂梁芯片包括連接驅(qū)動(dòng)芯片的固定端和由固定端延伸出的懸臂端；所述方形螺旋線圈設(shè)置于所述懸臂端上。本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器至少具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的懸臂梁芯片和驅(qū)動(dòng)芯片采用硅硅鍵合工藝進(jìn)行封裝，可以有效減小傳感器的封裝尺寸，以用于要求傳感器封裝尺寸較小的環(huán)境中；驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)是由圓形螺旋線圈通入恒定電流產(chǎn)生的，通過改變交恒定電流的大小可以根據(jù)需要快速改變驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度；惠斯通全橋通過懸臂梁芯片上的兩個(gè)焊盤采用恒流源供電，惠斯通全橋的輸出受溫度的影響較小。


圖I為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的結(jié)構(gòu)原理不意圖；圖2為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的驅(qū)動(dòng)芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的驅(qū)動(dòng)芯片的制備工藝流程圖；圖4為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的驅(qū)動(dòng)芯片的原理圖；圖5為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的分布不意圖；圖6為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的懸臂梁芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的懸臂梁芯片的原理示意圖。圖中的標(biāo)號(hào)如下表示
I懸臂梁芯片 2驅(qū)動(dòng)芯片^
3桂片4金層
5氮化桂層6引線孔
~mi^9
~ 0圓形螺旋線圈11 16、22、23
17 2021方形螺旋線圈
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理做詳細(xì)描述如圖I所示，本發(fā)明一種復(fù)合式MEMS密度傳感器包括懸臂梁芯片I和驅(qū)動(dòng)芯片2 ；懸臂梁芯片I和驅(qū)動(dòng)芯片2采用硅硅鍵合工藝進(jìn)行封裝，鍵合時(shí)使驅(qū)動(dòng)芯片2上的圓形螺旋線圈10的中心與懸臂梁芯片上的方形螺旋線圈21的中心相對(duì)，以使圓形螺旋線圈10產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠有效的驅(qū)動(dòng)懸臂梁芯片I振動(dòng)；通過驅(qū)動(dòng)芯片2上的兩個(gè)焊盤8、9通入恒定電流產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)分布如圖2或圖5所示；懸臂梁芯片I處于驅(qū)動(dòng)芯片2產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng) 磁場(chǎng)中，通過懸臂梁芯片I上的兩個(gè)焊盤11、16在方形螺線線圈21中通入交變電流，當(dāng)方形螺旋線圈21通入的交變電流為逆時(shí)針方向時(shí)，懸臂梁芯片I的受力F的方向如圖I所示，方形螺旋線圈21通入的交變電流為順時(shí)針方向時(shí)，懸臂梁芯片I的受力F的方向與圖I中所示力F的方向相反，在磁場(chǎng)B作用下，方形螺線線圈21上產(chǎn)生交變的洛倫磁力而使懸臂梁芯片發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)懸臂梁芯片發(fā)生諧振時(shí)，此時(shí)通過焊盤11、16在方形螺線線圈21中通入交變電流的頻率即為懸臂梁芯片在被測(cè)液體中的諧振頻率。如圖2所示為驅(qū)動(dòng)芯片2三維結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動(dòng)芯片2上布置有焊盤8、9和圓形螺旋線圈10。參照?qǐng)D3所示，說明驅(qū)動(dòng)芯片2的制備工藝流程(I)如圖3(a)所示，選取雙面拋光的P型單晶硅片3 ；(2)正面采用CVD技術(shù)淀積二氧化硅；(3)如圖3(b)所示，在二氧化硅表面旋涂一層光刻膠，經(jīng)過曝光、烘烤、顯影形成螺旋線圈和焊盤的圖形，然后去膠，采用濺射工藝在硅片3上形成金層4，然后經(jīng)過剝離工藝后形成焊盤8、9、圓形螺旋線圈10 ；(4)如圖3 (C)所示，正面采用低壓氣相淀積技術(shù)在金層4上沉積氮化硅遮蔽層5 ；(5)如圖3(d)所示，正面旋涂一層光刻膠，經(jīng)過曝光、烘烤、顯影形成引線孔，之后采用等離子體刻蝕技術(shù)在氮化硅層5上刻蝕兩個(gè)引線孔6，去膠。(6)如圖3(e)所示，表面旋涂一層光刻膠，經(jīng)過曝光、烘烤、顯影形成飛線7的圖形，然后去膠，采用濺射工藝在氮化硅層5上形成金層，然后經(jīng)過剝離工藝后形成飛線7。如圖4所示，介紹驅(qū)動(dòng)芯片2產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的原理所述驅(qū)動(dòng)芯片2上布置有焊盤8、9，飛線7及圓形螺旋線圈10 ;通過焊盤8、9施加恒定電流產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)，由畢奧-沙伐定律可知，單圈驅(qū)動(dòng)線圈周圍空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于，包括驅(qū)動(dòng)芯片(2)和設(shè)置于驅(qū)動(dòng)芯片(2)上的懸臂梁芯片(I);所述懸臂梁芯片(I)上布置有方形螺旋線圈(21)和惠斯通全橋；所述驅(qū)動(dòng)芯片(2)上布置有圓形螺旋線圈(10);圓形螺旋線圈(10)的中心與方形螺旋線圈(21)的中心相對(duì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于驅(qū)動(dòng)芯片(2)上布置有第一焊盤(8)和第二焊盤(9);第一焊盤(8)連接圓形螺旋線圈(10)的外周一端，第二焊盤(9)連接圓形螺旋線圈(10)的中心一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于第一焊盤(8)和第二焊盤(9)通入恒定電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于懸臂梁芯片(I)上設(shè)有連接方形螺旋線圈(21)外周一端的第三焊盤(16)和連接方形螺旋線圈(21)中心一端的第四焊盤(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于第三焊盤(16)和第四焊盤(11)通入交變電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于所述惠斯通全橋由4個(gè)電阻值相同的電阻條(17 20)組成，該惠斯通全橋布置在懸臂梁芯片(I) 一階諧響應(yīng)發(fā)生最大應(yīng)變位置處。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于所述4個(gè)電阻值相同的電阻條包括第一電阻條(17)、第二電阻條(18)、第三電阻條(19)和第四電阻條(20);第一電阻條(17)和第四電阻條(20)垂直于懸臂梁芯片(I)的長(zhǎng)度方向布置，第二電阻條(18)和第三電阻條(19)平行于懸臂梁芯片(I)的長(zhǎng)度方向布置；所述懸臂梁芯片(I)上設(shè)有四個(gè)連接所述惠斯通全橋的焊盤，包括第五焊盤(12)、第六焊盤(13)、第七焊盤(14)和第八焊盤(15);第五焊盤(12)連接第三電阻條(19)和第四電阻條(20)，第六焊盤(13)連接第三電阻條(19)和第一電阻條(17)，第七焊盤(14)連接第一電阻條(17)和第二電阻條(18)，第八焊盤(15)連接第二電阻條(18)和第四電阻條(20);第五焊盤(12)和第七焊盤(14)通入恒定電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于懸臂梁芯片(I)包括布置方形螺旋線圈(21)和惠斯通全橋的第一硅基底；驅(qū)動(dòng)芯片(2)包括布置圓形螺旋線圈(10)的第二硅基底；第一硅基底和第二硅基底封裝時(shí)采用硅硅鍵合技術(shù)封裝。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，其特征在于懸臂梁芯片(I)包括連接驅(qū)動(dòng)芯片(2)的固定端和由固定端延伸出的懸臂端；所述方形螺旋線圈(21)設(shè)置于所述懸臂端上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復(fù)合式MEMS密度傳感器，包括驅(qū)動(dòng)芯片和設(shè)置于驅(qū)動(dòng)芯片上的懸臂梁芯片；所述懸臂梁芯片上布置有方形螺旋線圈和惠斯通全橋；所述驅(qū)動(dòng)芯片上布置有圓形螺旋線圈；圓形螺旋線圈的中心與方形螺旋線圈的中心相對(duì)。通過施加恒定電流使圓形螺旋線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)；懸臂梁芯片置于驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)中，方形螺旋線圈通入交變電流時(shí)，懸臂梁芯片在洛侖茲力的作用下開始振動(dòng)，通過檢測(cè)懸臂梁芯片在不同密度液體中的諧振頻率來實(shí)現(xiàn)密度的測(cè)量。懸臂梁芯片和驅(qū)動(dòng)芯片通過硅硅鍵合技術(shù)封接在一起，可以有效減小傳感器的封裝尺寸；驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)由圓形螺旋線圈通入恒定電流產(chǎn)生，通過改變恒定電流的大小可以快速有效地改變驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01N9/34GK102636411SQ20121012623
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者張桂銘, 徐龍起, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 黃恩澤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)